CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã bài: MH 09 -01 Thời gian: 12 giờ (LT: 4, TH: 0, Tự học: 8) Giới thiệu: Vật liệu dùng trong lĩnh vực điện tử gồm có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu từ tính. Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, các đặc tính của vật dẫn điện và vật cách điện. - Trình bày bản chất của dòng điện trong các môi trường.
- Phân biệt được các vật dẫn điện và vật cách điện. - Rèn luyện thái độ nghiêm túc trong học tập, cẩn thận, tỉ mỉ và qun sát. Vật liệu dẫn điện 1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy.
Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt. Phân loại Vật liệu dẫn điện có thể là những vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể khí. - Vật liệu ở thể rắn là các kim loại và hợp kim.
Vật dẫn kim loại chia làm 2 loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao. Kim loại có điện dẫn cao dùng làm dây dẫn, cáp điện, dây quấn máy điện, loại có điện trở cao dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, đèn thắp sáng, biến trở. - Vật liệu ở thể lỏng là các kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân. Đặc tính kỹ thuật của vật liệu dẫn điện Khi nghiên cứu đặc tính dẫn điện của vật liệu cần quan tâm đến các tính chất cơ bản sau: Điên dẫn suất và điện trở suất Điện dẫn suất của vật liệu được tính theo công thức sau: 5 Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở suất ρ, nếu một vật dẫn có tiết diện không đổi là S và độ dài l thì: Đơn vị của điện trở suất là Ω.mm2/m Hệ số nhiêt của điện trở suất Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ, trong khoảng nhiệt độ hẹp quan hệ giữa điện trở suất với nhiệt độ gần như đường thẳng, giá trị điện trở suất ở cuối đoạn nhiệt độ ∆t có thể tính theo công thức sau: ρ𝑡 = ρ0(1 + α𝑃.
∆𝑡) ρ𝑡 : điện trở suất ở nhiệt độ t0 ρ0 : điên trở suất ở nhiệt độ ban đầu t0 α𝑃 : hệ số nhiệt của điện trở suất Nhiệt dẫn suất Nhiệt dẫn suất của kim loại dẫn điện có quan hệ với điện dẫn suất kim loại các kim loại khác nhau ở nhiệt độ bình thường với điện dẫn suất tính bằng S/m còn nhiệt dẫn suất tính bằng W/độ.m Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng phát sinh hiệu điện thế. Nguyên nhân sinh ra hiệu điện thế tiếp xúc là công thoát điện tử của kim loại khác nhau đồng thời dó số điện tử tự do khác nhau mà áp lưc khi điện tử ở kim loại khác nhau có thể không giống nhau Hệ số nhiệt dãn nở dài của vật dẫn kim loại Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại là trị số của hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ và nhiệt độ nóng chảy. Khi hệ số cao sẽ dễ nóng chảy ở nhiệt độ thấp còn kim loại có hệ số nhỏ sẽ khó nóng chảy Tính cơ học của vật liệu Tính chất cơ học hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài kim loại. Tính cơ học bao gồm tính đàn hồi, tính dẻo, tính hai, độ cứng, chịu đươc va chạm.
Một số vật liệu dẫn điên thông dụng 6 Sau đây là bảng nêu một số tính chất như trọng lượng riêng ở 200C[kg/dm3], điện dẫn suất [1/Ω.1/cm], nhiệt dẫn suất [W/cm/0C], độ bền đứt khi kéo [kg/mm2] và thế điện hóa so với H[V] của một số vật liệu như đồng, nhôm, kẽm,. Vật liệu cách điện 1. Khái niệm Vật liệu không cho phép dòng điện đi qua chúng được gọi là vật liệu cách điện. Chúng có khả năng ngăn hoặc giảm truyền điện, nhiệt hoặc âm thanh đến thiết bị hoặc khu vực khác.
Cách đơn giản nhất để xác định vật liệu cách điện thì cần xác định vật liệu không phải là một chất dẫn điện tốt. Điện tích của vật liệu cách điện không di chuyển tự do và nó có điện trở cao mà dòng điện không thể đi qua nó. Lý do sử dụng vật liệu cách điện là để tách rời các bộ phận dẫn điện của thiết bị với nhau và khỏi các bộ phận nối đất. Các thành phần nối đất có thể bao gồm vỏ hoặc cấu trúc cơ học cần thiết để cho phép thiết bị được xử lý và vận hành.
Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện đã được sơ đồ quy định. Phân loại Phân loại theo trạng thái vật lý: - Vật liệu cách điên thể khí: không khí khô, carbon dioxide, argon, nitơ,. - Vật liệu cách điện thể lỏng: Dầu hạt lanh, dầu khoáng hydrocarbon tinh chế. 7 - Vật liệu cách điện thể rắn: Mica, gỗ, đá phiến, thủy tinh, sứ, cao su, bông, lụa, tơ nhân tạo,.
Phân loại theo thành phần hóa học: Vật liệu cách điện hữu cơ: gồm các vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên như cao su, lụa, phíp, xeluliot và nhóm vật liệu nhân tạo như nhứa phenol, amino, xilicon. Tính chất Vật liệu cách điện nên có các tính chất sau: - Vật liệu phải có độ bền cơ học cao để mang lực căng và trọng lượng của dây dẫn - Vật liệu có điện trở cao để ngăn dòng điện rò rỉ từ dây dẫn xuống đất. - Tính chất điện và tính chất hóa học của vật liệu không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Vật liệu cách điện là vật liệu không cho dòng điện chạy qua nó. Các đặc tính kỹ thuật của vật liệu cách điện: - Độ bền về điện là mức điện áp chịu được trên đơn vị bề dày mà không bị đánh thủng.
- Nhiêt độ chịu được, - Hằng số điện môi, - Góc tổn hao: tg - Tỷ trọng. Các hạt mang điện và dòng điện trong các môi trường 1. Dòng điện trong kim loại - Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành các ion dương các ion dương sắp xếp một cách tuần hoàn trật tự tạo nên mạng tinh thể kim loại: + Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể, gọi là các electron tự do. + Sự mất trật tự của mạng tinh thể đã cản trở chuyển động của các electron.
+ Electron chuyển động ngược chiều điện trường dưới tác dụng của lực điện trường. - Bản chất dòng điện trong kim loại: + Khi không có điện trường ngoài thì trong kim loại không có dòng điện. + Khi có điện trường ngoài thì trong kim loại sẽ xuất hiện dòng điện ( Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài) 1. Dòng điện trong chất điện phân.
8 Các dung dịch muối, axit, bazơ hay các muối nóng chảy được gọi là các chất điện phân. - Hạt tải điện trong chất điện phân là các ion dương, ion âm bị phân li từ các phân tử muối, axit, bazơ. - Dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau trong điện trường. - Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại vì mật độ các ion trong chất điện phân nhỏ hơn mật độ các electron trong kim loại, khối lượng và kích thước của các ion lớn hơn khối lượng và kích thước của các electron nên tốc độ chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn.
- Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anôt kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch. - Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất đi theo. Tới điện cực chỉ có electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất động lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân. - Hiện tượng điện phân được áp dụng trong các công nghệ luyện kim, hóa chất, mạ điện, … 1.
Dòng điện trong chất khí - Chất khí vốn không dẫn điện. Chất khí chỉ dẫn điện khi có hạt tải điện (electron, ion) do tác nhân ion hóa sinh ra. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của electron và các ion trong điện trường. - Quá trình dẫn điện không tự lực của chất khí xảy ra khi ta phải dùng tác nhân ion hóa từ bên ngoài để tạo ra hạt tải điện trong chất khí.
- Khi dùng nguồn điện áp lớn để tạo ra sự phóng điện qua chất khí, ta thấy có hiện tượng nhân hạt tải điện. - Quá trình phóng điện tự lực trong chất khí là quá trình phóng điện vẫn tiếp tục giữ được khi không còn tác nhân ion hóa tác động từ bên ngoài. Có 4 cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí: + Dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá. + Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.
+ Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra electron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt electron. + Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện. 9 - Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành trong chất khí khi có điện trường đủ mạnh để làm ion hóa chất khí.
Ứng dụng dùng để đốt hỗn hợp xăng không khí trong động cơ xăng, giải thích hiện tượng sét trong tự nhiên. - Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực hình thành khi dòng điện qua chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp đặt giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn, giữ catốt ở nhiệt độ cao để nó phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron. + Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiệt và toả sáng rất mạnh; + Hồ quang diện có nhiều ứng dụng như hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu, … 1. Dòng điện trong chân không Chân không là môi trường đã được lấy đi các phân tử khí.
Nó không chứa các hạt tải điện nên không dẫn điện.